JP3226219B2

JP3226219B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP3226219B2
Application number: JP41250090A
Authority: JP
Inventors: 康一鈴森
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-20
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH04111792A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は、流体の圧力エネルギに
よる弾性変形を利用するアクチュエータに関し、特に柔
らかいものや割れ易いもの、また、曲面を多く有する形
状のもの等の対象物を容易に把持することのできるアク
チュエータに関する。

【０００３】

【従来の技術】近年、ロボットの適用範囲の拡がりにと
もない例えば果実や小動物等のような柔かいものや、ガ
ラスコップ等のような割れやすいもの、また、球、円錐
等のような曲面を多くもった形状のもの等を対象物とし
て取り扱うことができるロボットハンドの開発が要望さ
れており、また、これらの対象物をロボットハンドの指
先で操り動作させたいという要求も高まっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ロボットハンドは、２指ハンドのものがほとんどであ
り、このようなロボットハンドでは、柔かいものや割れ
易いもの、また曲面を多く有する形状のもの等の対象物
の取扱いが困難であり、また、指による操り動作も十分
に行なうことができず、さらに、その制御アルゴリズム
が複雑なものであった。

【０００５】また、研究段階にある多指ハンドのもの
も、その機構や制御アルゴリズムが複雑で、前述の要求
に十分応えることができないものであった。

【０００６】以上のように、従来のロボットハンド等で
は柔かいもの、割れやすいものを取扱うこと等には不十
分であり、制御アルゴリズムも複雑になる恐れがあっ
た。

【０００７】本発明の目的は、柔らかいものや割れ易い
もの、また、曲面を多く有する形状のもの等の対象物を
容易に把持することができると共に、その対象物の操り
動作を十分に行うことができるアクチュエータを提供す
ることである。

【０００８】［発明の構成］

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、軸方向に延設された隔壁によって内部が
少なくとも３つの圧力室に分離されてなる筒状弾性作動
体を複数備えてなるアクチュエータであって、前記筒状
弾性体を多自由度に動作させ、複数の該筒状弾性作動体
が協調して対象物の把持しつつ、把持した該対象物の操
り動作を行なうように、前記圧力室の各々の圧力を調整
する手段を備えたことを特徴とするものである。

【００１０】また、前記筒状弾性体の外周壁は異方性の
弾性特性を持つことを特徴とするものであってもよい。
また、前記操り動作は、前記対象物を所定方向に移動も
しくは回転させるものであってもよい。

【００１１】

【作用】上記の構成によれば、作動体の外周壁が異方性
の弾性特性をもっているので、圧力室が加圧されると作
動体は弾性変形し、軸方向の伸縮変形（異方性の方向に
よっては軸心回りの回転を伴う）、および任意方向への
湾曲変形が行われる。従って、複数の作動体を協調動作
させることにより、対象物の把持や操り動作を行うこと
ができる。

【００１２】

【実施例】図１乃至図３はこの発明の一実施例に係るア
クチュエータを示すものである。

【００１３】図１はアクチュエータの第１実施例として
のロボットハンドの構成図、図２ａ，図２ｂは平面図、
図３図は図２ａのIII-III 線矢視断面図を示している。
このアクチュエータ１は、複数（この実施例では４個）
の筒状弾性作動体３，５，７，９のそれぞれの基部３
ａ，５ａ，７ａ，９ａをアクチュエータ１の基体１１に
挟持部材１３，１５，１７，１９を介して挟持し、ネジ
２０等で固定して構成されている。これら作動体３，
５，７，９は、基体１１の同一円周上に等間隔をもって
各筒心軸３ｂ，５ｂ，７ｂ，９ｂを平行に配置してい
る。

【００１４】また、上記作動体３，５，７，９は、後述
する圧力室３０１，３０２，３０３，５０１，５０２，
５０３，７０１，７０２，７０３，９０１，９０２，９
０３が図２ｂに示す如くに配置される様に基体１１に取
り付けられている。

【００１５】上記各々の筒状弾性作動体３，５，７，９
は、作動体３を例示する図４および図５に示すように構
成されている。

【００１６】すなわち、作動体３はその外周壁が異方性
の弾性特性を持つ（例えば外周に繊維を巻装した）筒状
の筒状弾性体２３で形成されている。すなわち、この筒
状弾性体２３は、その外周において、それぞれ間隔を密
にして螺旋状に巻装された繊維を弾性材料であるシリコ
ンゴムによって被覆して形成されている。このため筒状
弾性体２３は繊維とゴムの複合による異方性弾性材料に
よって形成されることにより縦弾性係数の小さい方向は
筒状弾性体２３の軸方向と略一致し、この軸方向には伸
び易くなっているものである。また軸方向と直交する方
向には繊維により縦弾性係数大のため伸びにくくなって
いる。この筒状弾性体２３は、その筒心方向２５に平行
な３個の弾性隔壁２７，２９，３１によって横断面で３
個圧力室３０１，３０２，３０３に区分されている。圧
力室３０１，３０２，３０３の一端は蓋３３，３５，３
７によって封止し、その上に先端が丸みをもった先端部
材３９を接着剤等により貼着している。また、圧力室３
０１，３０２，３０３の他端は、貫通孔４１，４３，４
５のある比較的硬い弾性体よりなる蓋４７，４９，５１
で封止している。

【００１７】上記蓋４７，４９，５１の材質としては、
上記筒状弾性体２３と同じ材質でもよいし、金属やプラ
スチック等でもよい。そして、この蓋を設けた部分が、
前記基部３ａ〜９ａとして用いられる。

【００１８】そして、貫通孔４１，４３，４５へ先端部
をのぞかせて接続されたチューブ５３によって圧力室３
０１，３０２，３０３内へ空気等の流体が供給される。

【００１９】上記圧力室３０１，３０２，３０３内へ供
給される流体の圧力は、図１に示す如く、流体源５４か
らの流体量を調節する弁５７およびその弁５７を制御す
る制御コンピュータ５５によって調節される。この弁５
７としては、例えば圧力制御弁が用いられる。それによ
って、上記筒状弾性体２３は筒心方向２５に弾性的に伸
長しあるいは筒心の回りに回転し、さらに湾曲変形等を
することになる。

【００２０】他の作動体５，７，９も前記作動体３と同
様な構成であり、作動体５には圧力室５０１，５０２，
５０３、作動体７には圧力室７０１，７０２，７０３，
また、作動体９には圧力室９０１，９０２，９０３が形
成されており、これら圧力室５０１，５０２，５０３，
７０１，７０２，７０３，９０１，９０２，９０３には
圧力室３０１，３０２，３０３と同様にチューブ５３の
先端部がのぞかせられており、これらチューブ５３は上
記弁５７を介して流体源５４に連結されている。

【００２１】また、上記弾性体２３と蓋３３，３５，３
７，先端部材３９，および蓋４７，４９，５１とは、シ
リコーンゴム等によって一体形成することも可能であ
る。

【００２２】前記アクチュエータ１の基体１１底部には
底板５９が取り付けられて空間部６１が形成され、この
空間部６１を通して前記チューブ５３が外部へ引き出さ
れ、これらチューブ５３はひとまとめにして保護チュー
ブ６３で保護されている。

【００２３】つぎに、アクチュエータ１の動作について
説明する。尚、アクチュエータ１にはいろいろな形態の
動作を行わせることが可能であり、それぞれを順次説明
してゆく。

【００２４】第１の動作形態は図６乃至図７に示すよう
に、対象物Ｍを四方から把持するようにアクチュエータ
１を制御するものである。

【００２５】このために、図６ａ，図７ａに示す如く
に、各動作体３，５，７，９が配置された基体１１の円
周２１の中心軸６５と、各作動体３，５，７，９のそれ
ぞれの筒心軸３ｂ，５ｂ，７ｂ，９ｂとを結んでできる
平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ（図２の紙面に対して垂直な面）内
で各作動体３，５，７，９を動作させるようにしてい
る。

【００２６】前記の平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内で各作動体
３，５，７，９を作動させるためには、図６ｂ，図７ｂ
に示す如くに、作動体３，５，７，９のそれぞれの圧力
室３０２と３０３，圧力室５０２と５０３，圧力室７０
２と７０３，圧力室９０２と９０３のそれぞれの弾性隔
壁２９を中心軸６５側に向けて前記平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ
内に位置させて各作動体３，５，７，９を配置する。こ
のように各作動体３，５，７，９を配置し、図６ｂ，図
７ｂの斜線で示す如くに、各作動体３，５，７，９のそ
れぞれの圧力室３０１，５０１，７０１，９０１内への
み流体を供給して加圧すれば各作動体３，５，７，９は
それぞれ平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内で内側へ向けて湾曲され
る。

【００２７】また、図８ａ，図８ｂに示す如くに、同様
の構成で各作動体３，５，７，９のそれぞれの圧力室３
０２と３０３，５０２と５０３，７０２と７０３，９０
２と９０３内へ流体を供給して等しく加圧すれば各作動
体３，５，７，９はそれぞれ平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内で外
側へ向けて湾曲され、図８ａに示す様に物体Ｍが内側か
ら把持される。

【００２８】以上のように、各作動体の弾性隔壁２９を
平面Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ内に位置させれば上記第１の動作形
態は容易に実現できる。

【００２９】ただし、本実施例は、弾性隔壁２９の方向
を限定するものではない。即ち、各作動体は、流体圧の
組み合せにより任意の方向へ湾曲することができるので
弾性隔壁２９がどちらの方向を向いても上記第１の動作
形態を実現することができる。

【００３０】このようにアクチュエータ１を制御するこ
とにより、図６乃至図８に示すように対象物Ｍを把持す
ることができる。特に図７図に示すような複雑な形状を
もつガラス物体を把持する場合、柔かく把持できると共
に、対象物Ｍの形状に適応させて各作動体３，５，７，
９を湾曲させることができる。また、各作動体３，５，
７，９を外側へ向けて湾曲させることにより、図８に示
すように対象物Ｍを内側から把持することができる。

【００３１】また、以下に具体例で説明する如くに、上
述した把持状態から、さらに流体を調節することによ
り、ロボットアームを動かすことなく、ロボットハンド
のみで対象物Ｍを上下、左右方向への移動と回転をさせ
ることができる。

【００３２】つぎに、第２の動作形態を説明する。この
動作形態は図９に示すように、対象物Ｍを前後又は左右
両側から挾み込んで把持するようにアクチュエータ１を
制御するものである。

【００３３】この場合、アクチュエータ１は図６に示す
ものと同じ構成のものである。

【００３４】このために、作動体３，９の筒心軸３ｂと
９ｂおよび作動体５，７の筒心軸５ｂと７ｂとをそれぞ
れ結んでできる平面上Ｅ，Ｆ（図２の紙面に対して垂直
な面）内でそれぞれ各作動体３，５，７，９を動作させ
るようにしている。

【００３５】このような動作を実現するため、図９ｂに
示す如くに、各作動体３，５，７，９の圧力室３０１，
５０１，７０１，９０１に比較的多量の流体を供給し、
圧力室３０２，５０３，７０２，９０３に比較的少量の
流体を供給し、圧力室３０３，５０２，７０３，９０２
に流体を供給しなければ、各作動体３，５，７，９はそ
れぞれ平面Ｅ，Ｆ内で内側に向けて湾曲される。

【００３６】また、この場合も、第１の動作形態の説明
と同様に各動作体の弾性隔壁２９の方向を限定する必要
はなく、平面Ｅ，Ｆ内に弾性隔壁２９を位置させること
もできる。即ち、図９ｃに示す如くに、作動体３，９の
それぞれの圧力室３０２と３０３，圧力室９０２と９０
３のそれぞれの弾性隔壁２９を内側に向けて前記平面Ｅ
内に位置させ、また、作動体５，７のそれぞれの圧力室
５０２と５０３，圧力室７０２と７０３のそれぞれの弾
性隔壁２９を内側へ向けて前記平面Ｆ内に位置させて各
作動体３，５，７，９を配置する。

【００３７】このように各作動体３，５，７，９を配置
することにより、各作動体３，５，７，９のそれぞれの
圧力室３０１，５０１，７０１，９０１内へのみ流体を
供給して加圧すれば作動体３，９は平面Ｅ内でそれぞれ
内側へ向けて湾曲され、また、作動体５，７は平面Ｆ内
でそれぞれ内側へ向けて湾曲される（図９ｃ参照）。ま
た、各作動体３，５，７，９のそれぞれの圧力室３０２
と３０３，５０２と５０３，７０２と７０３，９０２と
９０３内へ流体を供給して等しく加圧すれば、作動体
３，９は平面Ｅ内で外側へ向けて湾曲され、また、作動
体５，７は平面Ｆ内で外側へ向けて湾曲される。

【００３８】このようにアクチュエータ１を制御するこ
とにより、図９に示すように対象物Ｍを挾み込んで把持
することができる。

【００３９】この動作形態では、作動体３と５および作
動体７と９との間隔を大きく保った状態で対象物を把持
することができるため、長尺な対象物を把持する場合に
より安定した把持をすることができる。

【００４０】つぎに、図１０乃至図１３に示すように、
対象物Ｍの移動操りを行うようにアクチュエータ１を制
御する動作形態を説明する。

【００４１】すなわち、図１０は図９に示した上記第２
の動作形態と同様な構成のものによって各作動体３，
５，７，９で前後又は左右両側から対象物Ｍを挾み込ん
で把持した状態を示しており、この状態（すなわち、図
９ｃに示す加圧状態）で、さらに各作動体３，５，７，
９のそれぞれの圧力室３０１，３０２，３０３，圧力室
５０１，５０２，５０３，圧力室７０１，７０２，７０
３，圧力室９０１，９０２，９０３内へ流体を等しく供
給して加圧すれば（図１１ｂを参照）各作動体３，５，
７，９がそれぞれ筒心軸３ｂ，５ｂ，７ｂ，９ｂ方向へ
伸長し、その結果図１１ａに示すように対象物Ｍを上方
へ移動させることができる。

【００４２】また、図１１の状態から各作動体３，５，
７，９のそれぞれの圧力室３０１と３０２，圧力室５０
１と５０２，圧力室７０１と７０３，圧力室９０１と９
０３へ流体を供給して加圧すれば（図１２ｂを参照）各
作動体３，５，７，９が右方へ湾曲し、図１２ａに示す
ように対象物Ｍを右方へ移動させることができる。

【００４３】さらに、図１３ｂに示す如くに加圧して、
一方側の作動体５，７を伸長させ、他方側の作動体３，
９をそのままの状態又は収縮させれば、図１３ａに示す
ように対象物Ｍを上下方向へ傾斜させることができる。

【００４４】図１４および図１５は作動体の個数が多い
場合の上記第２の動作形態の変形例を示すものである。

【００４５】図１４に示す動作形態は、６個の作動体
３，５，７，９，６７，６９を設け、図示の如くに加圧
して作動体３，５，６７と作動体７，９，６９との間に
対象物Ｍを挾み込んで把持するようにしたものである。

【００４６】また、図１５に示す動作形態は、５個の作
動体３，５，７，９，６７を設け、図示の如くに加圧し
て、これら作動体３，５，７，９，６７のうち、一部の
作動体３，５，７，９を動作させて対象物Ｍを把持する
例である。

【００４７】つぎに、第３の動作形態を説明する。この
動作形態は図１６に示すように、対象物Ｍを前後又は左
右両側から作動体３，５，７，９の根元部又はアクチュ
エータ１の基体１１上に押し付けて把持するようにアク
チュエータ１を制御するものである。

【００４８】すなわち、図１７に示すように加圧し、各
作動体３，５，７，９が相互に干渉しないように各作動
体３，５，７，９をそれぞれ異る平面Ｇ，Ｈ，Ｉ，Ｊ内
（図１７紙面に直交）で内側へ向けて湾曲させることに
より対象物Ｍが作動体３，５，７，９の根元部又はアク
チュエータ１の基体１１上へ押し付けて把持するように
制御している。

【００４９】また、図６に示すアクチュエータ１におい
て、図１８ｂに示す如くに加圧すれば、図１８ａに示す
如く各作動体３，５，７，９で対象物Ｍを把持した状態
で、各作動体３，５，７，９が一様に横方向に湾曲し、
対象物Ｍを把持状態で回転される。

【００５０】図１９乃至図２２は、第２〜第４の実施例
を示すものである。

【００５１】図１９に示すものは、作動体３，５の筒心
軸３ｂ，５ｂをそれぞれ外側方へ傾斜させて基体１１に
配置したものである。

【００５２】このように作動体３，５を配置することに
より作動体３，５の動作範囲が広がり、例えば浮遊物の
保獲あるいは対象物Ｍを把持してそこへ自己のロボット
アームを誘導するような場合などに適する。

【００５３】また、図２０に示すものは、作動体３，５
の筒心軸３ｂ，５ｂをそれぞれ内側方へ傾斜させて基体
１１に配置したものである。

【００５４】このように作動体３，５を配置することに
より基体１１の中心軸６５、すなわちロボットハンドの
中心軸に対して作動体３，５の先端がより深く湾曲さ
れ、特に図１６に示す上記第３の動作状態における対象
物Ｍの把持をより安定して行うことができる。

【００５５】また、図２１および図２２に示すものは、
５個の作動体３，５，７，９，６７により、人間の手に
似せて構成したものである。

【００５６】基体７１は、図２２に示すように、親指に
相当する作動体３の取付孔７３を設けた基体部７１ａ
と、人指し指から小指に相当する作動体５，７，９，６
７の取付孔７５，７７，７９，８１を設けた基体部７１
ｂとから形成されている。そして、これら取付孔７３，
７５，７７，７９，８１に各作動体３，５，７，９，６
７が差し込まれ接着固定されている。

【００５７】各作動体３，５，７，９，６７のチューブ
５３は基体部７１ｂの空間部６１を通して外部へ引き出
され、ひとまとめにして保護チューブ６３で保護されて
いる。前記空間部６１は裏板８３によって蓋がされてい
る。

【００５８】このようにアクチュエータ１を構成し、加
圧状態を制御すれば、人間の手に似せた動作をさせるこ
とができる。

【００５９】図２３乃至図２５は作動体の変形例を示す
ものである。

【００６０】図２３に示すものは、筒状弾性体２３の外
周の一部に金属又はプラスチックのごとき変形し難い材
料によって形成された薄肉円筒８５を被覆し、接着等の
手段によって固定して作動体８７を構成している。

【００６１】この変形例によれば、薄肉円筒８５を被覆
した部分のみが変形されないため、図２４に示すよう
に、作動体８７の湾曲形態を変えることができる。

【００６２】そして、薄肉円筒８５の数や、長さ、取付
け位置を調整することにより、把持対象物Ｍに適した湾
曲形態を具現することができる。

【００６３】図２５に示すものは、筒状弾性体２３の一
部を他の部分よりも変形し難い材料によって形成したも
のである。

【００６４】すなわち、図２５において、作動体８９の
筒状弾性体２３は、異方性のある弾性体からなる部分９
１，９３と、この部分９１，９３より変形し難い材料か
らなる部分９５とからなり、これらを別々に成形した
後、接着等の手段により連設し固定している。

【００６５】従って、上記図２３に示したものと略同様
な効果を奏することができる。

【００６６】なお、作動体は筒弾性体の周壁部を外周部
母線（筒心方向と平行）に対して平衡角（加圧しても軸
心方向に伸縮しない状態の角度）未満の角度に強化し、
（つまり、繊維を平衡角未満の角度に巻装し、）圧力室
が加圧時に作動体の軸方向への縮み動作、あるいは軸方
向の回りに回転しながら軸方向への縮み動作を行わせる
ように構成することもできる。また、ロボットハンドに
限らず、アクチュエータ多数を鉛直に密に並べて物体を
面方向に搬送する搬送装置として構成することもでき
る。

【００６７】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、この発
明の構成によれば、共通の基体に固定された複数の作動
体の外周壁が、異方性の方向が変更可能な弾性特性をも
っているので、３個の圧力室に加圧される各々の圧力の
任意な組み合せにより複数の作動体がそれぞれ弾性変形
し、軸方向の伸縮変形あるいは軸心の回りに回転しさら
には湾曲変形するといった協調動作を行う。

【００６８】従って、アクチュエータは、柔かいものや
割れ易いものまた曲面を多く有する形状のもの等の対象
物を容易に取扱うことができ、さらに、この作動体を傾
けたり、移動させたりする操り動作を行うことができる
ロボットハンド等のアクチュエータを具現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施したアクチュエータの全体構成図
である。

【図２】図１に示したアクチュエータの平面図である。

【図３】図３は、図２ｂにおけるIII-III 線矢視断面図
である。

【図４】図４は、図１に示す作動体の外観斜視図であ
る。

【図５】図５は、図１に示す作動体の分解斜視図であ
る。

【図６】図６は、図１に示す第１実施例における第１の
動作形態を示す説明図である。

【図７】図７は、図１に示す第１実施例における第１の
動作形態を示す説明図である。

【図８】図８は、図１に示す第１実施例における第１の
動作形態を示す説明図である。

【図９】図９は、第１実施例における第２の動作形態を
示す説明図である。

【図１０】図１０は、第１実施例における物体Ｍの操り
動作形態を示す説明図である。

【図１１】図１１は、第１実施例における物体Ｍの操り
動作形態を示す説明図である。

【図１２】図１２は、第１実施例における物体Ｍの操り
動作形態を示す説明図である。

【図１３】図１３は、第１実施例における物体Ｍの操り
動作形態を示す説明図である。

【図１４】図１４は、作動体の個数が多い場合の変形例
を示す図である。

【図１５】図１５は、作動体の個数が多い場合の変形例
を示す図である。

【図１６】図１６は、本発明に伴う第３の動作形態を示
す説明図である。

【図１７】図１７は、本発明に伴う第３の動作形態を示
す説明図である。

【図１８】図１８図は、回転を伴うところの、さらに他
の動作形態を示す説明図である。

【図１９】図１９は、本発明に伴う第２〜第４実施例を
示す構成図である。

【図２０】図２０は、本発明に伴う第２〜第４実施例を
示す構成図である。

【図２１】図２１は、本発明に伴う第２〜第４実施例を
示す構成図である。

【図２２】図２２は、本発明に伴う第２〜第４実施例を
示す構成図である。

【図２３】図２３は、作動体の変形例を示す構成図であ
る。

【図２４】図２４は、作動体の変形例を示す構成図であ
る。

【図２５】図２５は、作動体の変形例を示す構成図であ
る。

【符号の説明】

３作動体５作動体７作動体９作動体６７作動体６９作動体３ａ基部５ａ基部７ａ基部９ａ基部１１基体３０１圧力室３０２圧力室３０３圧力室５０１圧力室５０２圧力室５０３圧力室７０１圧力室７０２圧力室７０３圧力室９０１圧力室９０２圧力室９０３圧力室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B25J 15/08 F15B 15/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】軸方向に延設された隔壁によって内部が
少なくとも３つの圧力室に分離されてなる筒状弾性作動
体を複数備えてなるアクチュエータであって、前記筒状弾性作動体を多自由度に動作させ、複数の該筒
状弾性作動体が協調して対象物の把持しつつ、把持した
該対象物の操り動作を行なうように、前記圧力室の各々
の圧力を調整する手段を備えたことを特徴とするアクチ
ュエータ。
【請求項２】前記筒状弾性作動体の外周壁は異方性の
弾性特性を持つことを特徴とする請求項１記載のアクチ
ュエータ。
【請求項３】前記操り動作は、前記対象物を所定方向
に移動もしくは回転させるものであることを特徴とする
請求項１または２のいずれか一項に記載のアクチュエー
タ。